DE10226384A1

DE10226384A1 - Piezoelektrischer elekroakustischer Wandler und Herstellverfahren hierfür

Info

Publication number: DE10226384A1
Application number: DE10226384A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Takeshima; Manabu Sumita; Kiyotaka Tajima; Yuichi Sakai
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP3700616B2; KR100451560B1; CN1394103A; KR20030001253A; CN1180658C; DE10226384B4; US20020195901A1; JP2003009286A; US6570299B2

Abstract

Ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler umfasst eine quadratische piezoelektrische Membran, die in Plattendickenrichtung durch Anlegen eines wechselnden Signals zwischen den Elektroden querschwingt, ein rechteckiges Isoliergehäuse mit einem in den Seitenwänden des Gehäuses angeordneten Halteteil zum Halten der Membran, Endelektroden mit Innenverbindungen, die in der Nähe des Halteteils frei liegen, und mit Außenverbindungen, die außerhalb des Gehäuses frei liegen und mit den Innenverbindungen elektrisch verbunden sind, einen ersten Klebstoff, der auf die zwischen dem Außenumfang der Membran und den Innenverbindungen befindliche kürzeste und die Membran mit den Innenverbindungen verbindende Strecke aufgebracht ist, um die Membran an dem Gehäuse zu befestigen, einen leitenden Klebstoff zum elektrischen Verbinden der Elektroden der Membran mit den Innenverbindungen der Klemmen, der an den Elektroden der Memebran und den Innenverbindungen mittels der oberen Fläche des ersten Klebstoffs durch Abweichen von der kürzesten Strecke, welche die Membran und die Innenverbindungen verbindet, aufgebracht wird, und einen zweiten Klebstoff zum Abdichten eines Freiraums zwischen dem Außenumfang der Membran und dem Innenumfang des Gehäuses. Die ersten und zweiten Klebstoffe haben nach dem Härten einen Youngschen Modul, der kleiner als der des leitenden Klebstoffs ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, beispielsweise einen piezoelektrischen Summer und piezoelektrischen Empfänger, und ein Herstellverfahren hierfür.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Bisher wurden in elektronischen Vorrichtungen, elektrischen Heimgeräten, tragbaren Telefonen und dergleichen häufig piezoelektrische elektroakustische Wandler als piezoelektrischer Summer oder piezoelektrischer Empfänger zur Abgabe eines Warntons oder Betriebstons verwendet. Eine Konfiguration eines solchen piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers besteht im Allgemeinen darin, dass ein kreisförmiges piezoelektrisches Element mit einer Fläche einer kreisförmigen Metallplatte verbunden wird, um eine unimorphe Membran auszubilden, und der Umfang der Metallplatte in einem kreisförmigen Gehäuse mit Silikonkautschuk gehalten wird, während eine Öffnung des Gehäuses mit einer Abdeckung verschlossen ist.
Bei der Verwendung einer kreisförmigen Membran besteht jedoch das Problem einer geringen Produktionseffizienz, geringer akustischer Umwandlungseffizienz und darüber hinaus einer schwierigen Miniaturisierung.
Dann wird ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler offenbart, der die Produktionseffizienz und die akustische Umwandlungseffizienz verbessern kann und mit Hilfe einer quadratischen Membran miniaturisiert werden kann (ungeprüfte japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 2000-310990). Der piezoelektrische elektroakustische Wandler umfasst eine quadratische piezoelektrische Membran; ein Isoliergehäuse mit einer unteren Wand, vier Seitenwänden und einem in zwei der einander gegenüberliegenden Seitenwänden angeordneten Halteteil zum Halten der Membran, wobei das Halteteil mit ersten und zweiten leitenden Teilen zur Außenverbindung versehen ist; und eine Verschlussplatte mit darin ausgebildeten Öffnungen zur Freigabe von Klang. Die Membran ist in dem Gehäuse untergebracht, wobei zwei einander gegenüberliegende Seiten der Membran an dem tragenden Teil mit einem Klebstoff oder einem elastischen Dichtstoff befestigt sind, während Freiräume zwischen den verbleibenden zwei Seiten der Membran und dem Gehäuse mit dem elastischen Dichtstoff so abgedichtet werden, dass die Membran und die ersten und zweiten leitenden Teile mit einem leitenden Klebstoff mit einander elektrisch verbunden sind, und die Verschlussplatte mit dem offenen Ende der Seitenwand des Gehäuses verbunden wird.
In den letzten Jahren wurde die Membrandicke des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers sehr dünn und eine Membran mit einer Dicke in etwa im zweistelligen Bereich bis zu 100 µm wird hierfür verwendet. Bei Verwendung einer derart dünnen Membran wird die Wirkung eines Aufbaus zum Halten der Membran auf die Frequenzeigenschaften erhöht.
Wenn zum Beispiel die Membran direkt mit einer Außenelektrode mittels eines hitzehärtbaren Klebstoffs, wie Urethan, verbunden wird, wird aufgrund der Härtungs- und Schrumpfspannung des leitenden Klebstoffs eine Beanspruchung der Membran verursacht, so dass die Frequenzeigenschaften geändert werden. Auch bei Änderung der Umgebungstemperatur können sich die Eigenschaften aufgrund der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses und der Membran ändern, und wenn eine Außenkraft direkt auf das Gehäuse ausgeübt wird, wird die Kraft auch direkt auf die Membran übertragen, so dass die Eigenschaften sich ändern können.
Nach Befestigen der Membran an dem Gehäuse mittels eines elastischen Haltematerials in der oben beschriebenen Weise wird, selbst wenn diese mit dem leitenden Klebstoff beschichtet werden, bei Beschichten der kürzesten Verbindungsstrecke zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Membran und einem Halteteil des Gehäuses, d. h. eines inneren Verbindungsteils zur elektrischen Verbindung mit einer Außenelektrode, mit dem leitenden Klebstoff, aufgrund des Härtens und Schrumpfens des auf die Membran aufgebrachten leitenden Klebstoffs eine Spannung erzeugt, so dass ein Problem, wie Schwankung der Frequenzeigenschaften, auftreten kann.

ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Demgemäss besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler und ein Herstellverfahren hierfür zur Hand zu geben, bei welchem eine Stabilität der Frequenzeigenschaften erhalten werden kann, indem Beschichtungspositionen eines Klebstoffs zum Befestigen einer Membran an einem Gehäuse und eines leitenden Klebstoffs zur elektrischen Verbindung entwickelt werden, um eine Beanspruchung der Membran zu verhindern.
Zur Verwirklichung der oben beschriebenen Aufgabe sieht eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler vor, welcher umfasst: eine quadratische piezoelektrische Membran mit Elektroden, die in Plattendickenrichtung durch Anlegen eines wechselnden Signals zwischen den Elektroden querschwingt, ein rechteckiges Isoliergehäuse mit einem in den Seitenwänden des Gehäuses angeordneten Halteteil zum Halten der piezoelektrischen Membran, Endelektroden mit Innenverbindungen, die in der Nähe des Halteteils frei liegen, und mit Außenverbindungen, die an der Außenfläche des Gehäuses frei liegen und mit den Innenverbindungen elektrisch verbunden sind, einen ersten Klebstoff, der auf die kürzeste, die piezoelektrische Membran an den Innenverbindungen verbindenden Strecke aufgebracht ist, wobei sich die kürzeste Strecke zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen befindet, um die piezoelektrische Membran mit dem Gehäuse zu befestigen, einen leitenden Klebstoff zum elektrischen Verbinden der Elektroden der piezoelektrischen Membran mit den Innenverbindungen der Endelektroden, wobei der leitende Klebstoff zwischen den Elektroden der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen mittels der oberen Fläche des ersten Klebstoffs durch Abweichen von der kürzesten Strecke, welche die piezoelektrische Membran und die Innenverbindungen verbindet, aufgebracht wird, und einen zweiten Klebstoff zum Abdichten eines Freiraums zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und dem Innenumfang des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Klebstoffe nach dem Härten einen Youngschen Modul aufweisen, der kleiner als der des leitenden Klebstoffs ist.
Eine zweite Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gibt ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers zur Hand, welches folgende Schritte umfasst: Erzeugen einer quadratischen piezoelektrischen Membran, welche durch Anlegen eines wechselnden Signals zwischen den Elektroden in Plattendickenrichtung querschwingt; Erzeugen eines rechteckigen Isoliergehäuses mit einem in den Seitenwänden des Gehäuses angeordneten Halteteil zum Hatten der piezoelektrischen Membran und Endelektroden mit Innenverbindungen, die in der Nähe des Halteteils frei liegen, und mit Außenverbindungen, die außerhalb des Gehäuses frei liegen und mit den Innenverbindungen elektrisch verbinden; Aufbringen eines ersten Klebstoffs auf eine kürzeste Strecke, welche die piezoelektrische Membran mit den Innenverbindungen verbindet, wobei sich die kürzeste Strecke zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen befindet, um die piezoelektrische Membran an dem Gehäuse durch Härten des ersten Klebstoffs zu befestigen; Aufbringen eines leitenden Klebstoffs zwischen den Elektroden der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen mittels der oberen Fläche des ersten Klebstoffs durch Abweichen von der kürzesten Strecke, welche zwischen der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen verbindet, um die Elektroden der piezoelektrischen Membran mit den Innenverbindungen der Endelektroden durch Härten des leitenden Klebstoffs elektrisch zu verbinden; und Aufbringen eines zweiten Klebstoffs auf einen Freiraum zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und dem Innenumfang des Gehäuses, um zwischen beiden Umfängen durch Härten des leitenden Klebstoffs abzudichten, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Klebstoffe nach dem Härten einen Youngschen Modul aufweisen, der kleiner als der des leitenden Klebstoffs ist.
Erfindungsgemäß werden nach dem Anbringen zwischen dem Außenumfang der Membran und den Innenverbindungen der Endelektroden mit den ersten Klebstoffen die Elektroden der piezoelektrischen Membran und die Innenverbindungen der Endelektroden mit den leitenden Klebstoffen elektrisch miteinander verbunden. Zu diesem Zeitpunkt werden die ersten Klebstoffe auf die kürzesten Strecken aufgebracht und gehärtet, welche zwischen der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen verbinden, die sich zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen befinden, während die leitenden Klebstoffe darauf mittels der oberen Flächen der ersten Klebstoffe durch Abweichen von der kürzesten Strecke, welche zwischen der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen verbindet, aufgebracht und gehärtet werden. Da der erste Klebstoff nach dem Härten einen Youngschen Modul aufweist, der kleiner als der des leitenden Klebstoffs ist, wird die aufgrund des Härtens und Schrumpfens des leitenden Klebstoffs erzeugte Spannung durch den ersten Klebstoff entspannt, so dass die Spannung nicht direkt auf die piezoelektrische Membran ausgeübt wird. Daher kann in der piezoelektrischen Membran keine Beanspruchung erzeugt werden, was Schwankungen der Frequenzeigenschaften verhindert. Selbst bei Änderung der Umgebungstemperatur oder Einwirken einer Außenkraft auf das Gehäuse wird die Spannung durch den ersten Klebstoff entspannt, so dass die Spannung kaum die piezoelektrische Membran beeinträchtigen kann, was ein Schwanken der Frequenzeigenschaften verhindern kann.
Bei Herstellung des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung kann nach Unterbringen der piezoelektrischen Membran in dem Gehäuse der erste Klebstoff aufgebracht werden oder es kann vor Unterbringen der piezoelektrischen Membran in dem Gehäuse der erste Klebstoff an dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran oder in der Nähe des Halteteils des Gehäuses aufgebracht werden. In ersterem Fall wird der erste Klebstoff mit Hilfe einer Dosiervorrichtung aufgebracht, während in letzterem Fall der erste Klebstoff nicht nur mit Hilfe der Dosiervorrichtung, sondern auch mit Hilfe einer Spachtel auf die Endabschnitte der piezoelektrischen Membran aufgebracht werden kann, um die piezoelektrische Membran durch deren Unterbringen im Gehäuse zu verbinden und zu befestigen.
Vorzugsweise ist die Viskosität des ersten Klebstoffs vor dem Härten höher als die des zweiten Klebstoffs, so dass ein Verteilen schwierig ist.
D. h. wenn der erste Klebstoff aufgrund der in nicht gehärtetem Zustand niedrigen Viskosität zu einem Verteilen neigt, kann der erste Klebstoff die Elektrode der piezoelektrischen Membran und die Innenverbindungen der Endelektroden verstopfen, so dass es bei Aufbringen der leitenden Klebstoffe schwierig sein kann, die Elektrode der piezoelektrischen Membran mit den Innenverbindungen der Endelektroden elektrisch zu verbinden. Der erste Klebstoff bleibt eventuell auch nicht in der kürzesten Strecke, die zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen der Endelektroden verbindet. Dann können durch Verwenden des schwer zu verteilenden ersten Klebstoffs derartige Probleme gelöst werden, so dass die piezoelektrische Membran und die Endelektroden mit den leitenden Klebstoffen durch Abweichen von der kürzesten Strecke sicher miteinander verbunden werden können.
Vorzugsweise wird der erste Klebstoff zum Teil auf die Umgebungen der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht.
Bei Verwendung eines hitzehärtbaren Klebstoffs als erster Klebstoff nimmt die Verformung hin zur Mitte der vier Seiten des Gehäuses zu und die auf die piezoelektrische Membran ausgeübte Spannung wird ebenfalls weitgehend auf die mittleren Teile der vier Seiten ausgeübt.
Wenn dagegen der erste Klebstoff zum Teil auf die Umgebungen der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht wird, ist die Verformung des Gehäuses während des Härtens des ersten Klebstoffs kleiner, was die Wirkung auf die piezoelektrische Membran wesentlich eliminiert.
Vorzugsweise wird der leitende Klebstoff auf die Umgebungen von mindestens zwei der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht.
Wird der erste Klebstoff zum Teil auf die Umgebungen der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht, wie dies oben beschrieben wird, kann die Beanspruchung der piezoelektrischen Membran unterbunden werden; zudem kann bei Aufbringen des leitenden Klebstoffs auf die Umgebungen von mindestens zwei der vier Ecken der piezoelektrischen Membran der Einfluss der aufgrund des Härtens und Schrumpfens des leitenden Klebstoffs erzeugten Beanspruchung weiter verringert werden.
Bei der Membran gibt es Fälle von Biegeschwingung im Längsbiegemodus und Biegeschwingung im Flächenbiegemodus, die einer Weise zu deren Halten entsprechen. Der erstere ist ein Modus der Biegeschwingung in Plattendickenrichtung mit beiden seitlichen Enden als Halteteile und der letztere ist ein Modus, bei dem die gesamte Fläche der Membran in der Plattendickenrichtung querschwingt, mit den vier Seiten bzw. den vier Ecken als Halteteile, so dass eine Position in den zwei Diagonalen an der Hauptfläche der Membran maximale Verschiebung aufweist, d. h. der Schnitt der Diagonalen weist eine maximale Verschiebung auf.
Erfindungsgemäß kann eine leitende Urethanpaste als leitender Klebstoff bevorzugt sein. Als erster Klebstoff wird ein Material mit einem Youngschen Modul verwendet, der nach dem Härten kleiner als der des leitenden Klebstoffs ist, zum Beispiel ein Urethan-Klebstoff. Als zweiter Klebstoff kann ein Material mit einem Youngschen Modul, der kleiner als der des ersten Klebstoffs ist und eine kleine Härtungs- /Schrumpfspannung aufweist, bevorzugt sein, so dass ein Silikonklebstoff verwendet werden kann.
Ferner kann als erster und zweiter Klebstoff auch ein kalthärtbarer Klebstoff verwendet werden; bei Aufbringen mit einer Dosiervorrichtung neigt die Dosiervorrichtung jedoch aufgrund des Einsetzens der Härtung während des Auftragens zu einem Verstopfen, was die Arbeitseffizienz verringert. Der hitzehärtbare Klebstoff dagegen hat den Vorteil, dass sich die Viskosität während des Auftragens nicht ändert, so dass die Dosiervorrichtung aufgrund ihrer konstanten Viskosität bei Raumtemperatur nicht verstopft, was die Arbeitseffizienz verbessert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Montageansicht eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler in einem Zustand, da eine Verschlussplatte und ein zweiter Klebstoff entfernt sind;
Fig. 3 ist eine Stufenschnittansicht an der Linie A-A von Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht an der Linie B-B von Fig. 2;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Membran, die in einem in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler verwendet wird;
Fig. 6 ist eine Montageansicht eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung;
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf den in Fig. 6 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler in einem Zustand, da die Verschlussplatte und der zweite Klebstoff entfernt sind;
Fig. 8 ist eine Stufenschnittansicht an der Linie C-C von Fig. 7;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht an der Linie D-D von Fig. 7;
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Membran, die in dem in Fig. 6 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler verwendet wird;
Fig. 11 ist eine Stufenschnittansicht an der Linie E-E von Fig. 10 und
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung eines Gehäuses.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Fig. 1 bis 5 zeigen einen oberflächenmontierbaren piezoelektrischen elektroakustischen Wandler nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung.
Der elektroakustische Wandler ist zur Verwendung bei einer Einzelfrequenz geeignet, beispielsweise als akustischer Melder und Tonruf, und umfasst im Wesentlichen eine unimorphe Membran 1, ein Gehäuse 10 und eine Verschlussplatte 20.
Die Membran 1 umfasst, wie in Fig. 5 gezeigt, eine quadratische piezoelektrische Platte 2, welche in der Dickenrichtung polarisiert ist und auf deren Ober- und Unterseite jeweils ausgebildete Dünnschicht- oder Dickschichtelektroden 2a bzw. 2b aufweist, sowie eine rechteckige Metallplatte 3 mit der gleichen Breite wie die piezoelektrische Platte 2 und mit einer geringfügig längeren Länge als diese, welche an der Rückflächenelektrode 2b der piezoelektrischen Platte 2 mittels eines leitenden Klebstoffs beschichtet und angebracht ist. Ferner kann die Metallplatte 3 mittels des leitenden Klebstoffs direkt mit der Rückfläche der piezoelektrischen Platte 2 verbunden werden, so dass die Rückflächenelektrode 2b ausgelassen wird.
Ausführungsgemäß wird die piezoelektrische Platte 2 mit der Metallplatte 3 an einer zu einer Seite der Metallplatte 3 in Längsrichtung verschobenen Position verbunden, um ein freiliegendes Teil 3a in Längsrichtung hin zur anderen Seite der Metallplatte 3 zu haben, in welchem die Metallplatte 3 frei liegt.
Für die piezoelektrische Platte 2 können piezoelektrische Keramiken, zum Beispiel PZT, verwendet werden. Ein Material der Metallplatte 3 hat wünschenswerterweise eine hohe Leitfähigkeit und auch Federelastizität und ist ferner wünschenswerterweise ein Material mit einem Youngschen Modul, der dem der piezoelektrischen Platte 2 nahe kommt, zum Beispiel Phosphorbronze und 42Ni. Ausführungsgemäß wird ein rechteckiges Material aus 42Ni mit einer Länge von 10 mm, einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 0,05 mm und mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient, der dem von Keramik nahe kommt (PZT, etc.) für die Metallplatte 3 verwendet. Für die piezoelektrische Platte 2 wird eine rechteckige PZT-Platte mit einer Länge von 8 mm, einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 0,05 mm verwendet.
Das Gehäuse 10 aus einem Isoliermaterial, zum Beispiel Keramik und ein Harz, wird in einer rechteckigen Kastenform mit einer unteren Wand 10a und vier Seitenwänden 10b bis 10e gebildet. Bei Ausbilden des Gehäuses 10 aus einem Harz kann ein wärmebeständiges Harz bevorzugt sein, zum Beispiel ein LCP (Flüssigkristallpolymer), SPS (syndiotaktisches Polystyren), PPS (Polyphenylensulfid) und ein Epoxidharz. In dem Innenumfang der vier Seitenwände 10b bis 10e sind Stufen 10f in ringförmiger Anordnung ausgebildet. Über die Stufen 10f in den zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 10b und 10d liegen Innenverbindungen 11a und 12a eines Paars Klemmen 11 und 12, die Endelektroden sind, frei. Die Klemmen 11 und 12 sind im Fall 10 durch Einlegeteil- Spritzguss gebildet, bei welchen die aus dem Gehäuse 10 herausragenden Außenverbindungen 11b und 12b entlang von Außenflächen der Seitenwände 10b und 10d hin zur unteren Wand 10a des Gehäuses 10 gebogen sind.
Ausführungsgemäß sind die Innenverbindungen 11a und 12a der Klemmen 11 und 12 jeweils zweigabelig. Diese zweigabeligen Innenverbindungen 11a und 12a sind in den Umgebungen der beiden Enden der Stufen 10f angeordnet, während sie divergierend dreieckig umgekehrt sind.
In den Stufen 10f ist wie in Fig. 3 gezeigt ein ringförmiger Halteteil 10g zum Halten des Umfangs der Membran 1 an einer um eine Stufe unterhalb der Stufen 10f befindlichen Position angeordnet. Daher hat beim Platzieren der Membran 1 an dem Halteteil 10g die obere Fläche der Membran 1 im Wesentlichen die gleiche Höhe wie die oberen Flächen der Innenverbindungen 11a und 12a der Klemmen 11 und 12.
Ferner ist die untere Wand 10a mit einer daran ausgebildeten ersten klangfreigebenden Öffnung 10k versehen und an der oberen Kante der Seitenwand 10e ist eine Kerbe 101 als zweite klangfreigebende Öffnung ausgebildet (siehe Fig. 1 und 4).
Die Membran 1 ist in dem Gehäuse 10 so untergebracht, dass die Metallplatte 3 der unteren Wand 10a des Gehäuses 10 zugewandt ist und die vier Seiten der Membran 1 auf dem Halteteil 10g des Gehäuses plaziert sind. Die Umgebungen der vier Ecken der Membran 1 sind mit elastischen Haltematerialien (erste Klebstoffe) 13 verbunden und befestigt. D. h. die Zwischenteile zwischen den Umgebungen der beiden Enden des freiliegenden Teils 3a und die Innenverbindung 11a der Klemme 11, d. h. die kürzesten Strecken, die zwischen dem freiliegenden Teil 3a und der Innenverbindung 11a verbinden, sind durch Kleben mit den elastischen Haltematerialien 13 befestigt, und Teile zwischen den Umgebungen beider Enden der gegenüberliegenden Seite und die Innenverbindung 12a der Klemme 12 sind mit den elastischen Haltematerialien 13 durch Kleben befestigt. Ausführungsgemäß sind die elastischen Haltematerialien 13, die an einem Paar diagonal gegenüberliegender Ecken der Membran 1 aufgebracht werden, Ellipsen oder Ovale, die in Seitenrichtung der Membran 1 längs ausgerichtet sind, während die an dem anderen Eckenpaar aufgebrachten elastischen Haltematerialien 13 kreisförmige Tropfenform haben; die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diese Konfigurationen beschränkt. Der Urethan-Klebstoff mit einem Youngschen Modul nach dem Härten von 3,7 × 10⁶ Pa kann zum Beispiel als elastisches Haltematerial 13 verwendet werden. Da die Viskosität des elastischen Haltematerials 13 vor dem Härten höher (zum Beispiel 50 bis 120 dPa.s) ist als die eines elastischen Dichtstoffs 15, welcher später beschrieben wird, so dass es schwer zu verteilen ist, ragt das elastische Haltematerial 13 bei Aufbringen in Glockenform nach oben. Nach dem Aufbringen des elastischen Haltematerials 13 wird es erhitzt und gehärtet.
Ferner kann als Verfahren zum Befestigen der Membran 1 nach Unterbringen der Membran 1 in dem Gehäuse 10 das elastische Haltematerial 13 durch eine Dosiervorrichtung, etc. aufgebracht werden, alternativ kann die Membran 1 in dem Gehäuse 10 in einem Zustand untergebracht werden, da die Membran 1 mit dem elastischen Haltematerial 13 bereits vorab beschichtet ist.
Die mit den elastischen Haltematerialien 13 an dem Gehäuse 10 befestigte Membran 1 und die Innenverbindungen 11a und 12a der Klemmen 11 und 12 werden mit leitenden Klebstoffen 14 elektrisch miteinander verbunden. D. h. die leitenden Klebstoffe 14 werden in elliptischen Formen auf den an einem Paar diagonal gegenüberliegender Ecken der Membran 1 in elliptischer oder ovaler Form aufgebrachten elastischen Haltematerialien 13 aufgebracht, so dass sie sich mit den elastischen Haltematerialien 13 überschneiden. Da die elastischen Haltematerialien 13 in Glockenform hochragen, werden die leitenden Klebstoffe 14 durch Abweichen von den kürzesten Strecken, welche zwischen der Membran 1 und den Innenverbindungen 11a und 12a verbinden, aufgebracht. Zu diesem Zeitpunkt ist es erforderlich, Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen, um ein Anhaften der leitenden Klebstoffe 14 an Freiräumen zwischen der Membran 1 und den Innenverbindungen 11a und 12a, wo die elastischen Haltematerialien 13 nicht aufgebracht werden, zu verhindern.
Zum Beispiel kann die leitende Urethanpaste mit einem Youngschen Modul nach dem Härten von 0,3 × 10⁹ Pa als leitender Klebstoff 14 verwendet werden. Nach dem Aufbringen des leitenden Klebstoffs 14 wird er erhitzt und gehärtet.
Der Freiraum zwischen dem gesamten Umfang der Membran 1 und dem Innenumfang des Gehäuses 10 wird mit dem elastischen Dichtstoff (zweiter Klebstoff) 15 abgedichtet, so dass ein Austreten von Luft zwischen den oberen und unteren Flächen der Membran 1 verhindert wird. Nach Aufbringen des elastischen Dichtstoffs 15 in ringförmiger Anordnung wird er erhitzt und gehärtet.
Ausführungsgemäß wird zum Beispiel der Silikonklebstoff mit einem Youngschen Modul nach dem Härten von 3,0 × 10⁵ Pa als elastischer Dichtstoff 15 verwendet.
Nach Befestigen der Membran 1 an dem Gehäuse 10, wie vorstehend beschrieben, wird die Verschlussplatte 20 an der oberen Öffnung des Gehäuses 10 mit einem Klebstoff 21 angeklebt. Die Verschlussplatte 20 besteht aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 10. Durch Ankleben der Verschlussplatte 20 wird ein Klangraum zwischen der Verschlussplatte 20 und der Membran 1 ausgebildet.
In der oben beschriebenen Weise wird der oberflächenmontierbare piezoelektrische elektroakustische Wandler fertiggestellt.
Wenn ein vorbestimmtes wechselndes Signal (Wechselstromsignal oder Rechteckwellensignal) zwischen den in dem Gehäuse 10 vorgesehenen Klemmen 11 und 12 angelegt wird, schwingt die Membran 1 in einem Flächenbiegemodus, so dass ein vorbestimmter Klang erzeugt wird, da vier Seiten der Membran 1 an dem Halteteil 10g des Gehäuses 10 befestigt sind. Der erzeugte Klang wird über die zwischen der Verschlussplatte 20 und der Kerbe 101 des Gehäuses 10 ausgebildete klangfreigebende Öffnung nach außen abgegeben.
In der obigen Beschreibung wird die Membran 1 so befestigt, dass die Metallplatte 3 der unteren Wand 10a des Gehäuses 10 gegenüberliegt; sie kann jedoch so befestigt werden, dass die piezoelektrische Platte 2 der unteren Wand 10a des Gehäuses 10 zugewandt ist. Bei Befestigen der Membran 1 solcherart, dass die Metallplatte 3 der unteren Wand 10a zugewandt ist, kann, da die Oberflächenelektrode 2a der piezoelektrischen Platte 2 und der freiliegende Teil 3a der Metallplatte 3 nach oben frei liegen, die Verbindung zwischen dem freiliegenden Teil 3a und der Klemme 11 sowie die Verbindung zwischen der Oberflächenelektrode 2a und der Klemme 12 einfach mit Hilfe des leitenden Klebstoffs 14 ausgeführt werden. Bei Verbinden zwischen der Oberflächenelektrode 2a und der Klemme 12 wird ferner eine schlechte Verbindung erzeugt, wenn der leitende Klebstoff 14 an der Metallplatte 3 anhaftet; das elastische Haltematerial 13 dringt jedoch in den Freiraum zwischen der Membran 1 und dem Gehäuse 10, so dass es die Funktion hat, ein Anhaften des leitenden Klebstoffs 14 an der Metallplatte 3 zu verhindern, was die schlechte Verbindung sicher verhindert.
Fig. 6 bis 11 zeigen einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Der elektroakustische Wandler der Ausführung wird zur Verwendung bei Frequenzen breiter Bereiche eingesetzt, zum Beispiel als piezoelektrischer Empfänger.
Der elektroakustische Wandler umfasst im Wesentlichen eine Membran 30 mit Schichtaufbau, ein Gehäuse 10 und die Verschlussplatte 20. Mit Ausnahme von dem Gehäuse 10 und der Membran 30 sind die Konfigurationen im Wesentlichen die gleichen wie bei der ersten in Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführung, so dass gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen und deren Beschreibung übergangen wird.
Die Punkte, in denen das Gehäuse 10 sich von dem Gehäuse 10 der ersten Ausführung unterscheidet, sind: wie in Fig. 8 gezeigt sind die Halteteile 10g nur in den einander gegenüberliegenden zwei Seitenwänden 10b und 10d ausgebildet; wie in Fig. 9 gezeigt sind die Nute 10h zum Verhindern eines Laufens eines elastischen Dichtstoffs an Positionen unter den Halteteilen 10g in den anderen zwei Seitenwänden 10c und 10e ausgebildet; und die Verschlussplatte 20 ist mit einer darin ausgebildeten klangfreigebenden Öffnung 23 versehen.
Die Membran 30 wird, wie in Fig. 10 und 11 gezeigt, durch Auftragen von zwei piezoelektrischen Keramikschichten 31 und 32 gebildet und wird mit Hauptflächenelektroden 33 und 34, die jeweils an den oberen und unteren Hauptflächen ausgebildet sind, und einer Innenelektrode 35, die zwischen den Keramikschichten 31 und 32 ausgebildet wird, versehen. Die zwei Keramikschichten 31 und 32 sind, wie durch den dicken Pfeil in Fig. 11 gezeigt wird, in einer Dickenrichtung polarisiert. Die Hauptflächenelektrode 33 an der Oberseite und die Hauptflächenelektrode 34 an der Unterseite sind geringfügig kleiner als die Seitenlänge der Membran 30 ausgebildet und ein Ende derselben ist mit einer Endflächenelektrode 36 verbunden, die an einer Endfläche der Membran 30 ausgebildet ist. Daher sind die Hauptflächenelektroden 33 und 34 der oberen und unteren Seite miteinander verbunden. Die Innenelektrode 35 ist im Wesentlichen symmetrisch zu den Hauptflächenelektroden 33 und 34 ausgebildet und ein Ende der Innenelektrode 35 ist von der Endflächenelektrode 36 getrennt, während das andere Ende mit einer an der anderen Endfläche der Membran 30 ausgebildeten Endflächenelektrode 37 verbunden ist. Weiterhin sind Hilfselektroden 38 zum elektrischen Verbinden mit der Endflächenelektrode 37 an den oberen und unteren Flächen der Membran 30 am anderen Ende ausgebildet.
An den oberen und unteren Flächen der Membran 30 sind Harzschichten 39 zum Abdecken der Hauptflächenelektroden 33 und 34 gebildet. Die Harzschicht 39 ist zum Verbessern der Splitterfestigkeit vorgesehen, da die Membran 30 nur aus Keramiken gefertigt wird. Auf den oberen und unteren Harzschichten 39 werden Ausschnitte 39a, welche die Hauptflächenelektroden 33 und 34 frei legen, und Ausschnitte 39b, welche die Hilfselektroden 38 frei legen, in den Umgebungen der einander diagonal gegenüberliegenden Ecken der Membran 30 ausgebildet.
Ferner können die Ausschnitte 39a und 39b auf einer der oberen und unteren Flächen ausgebildet werden; zum Eliminieren der oberen und unteren Richtungsabhängigkeit werden diese jedoch ausführungsgemäß an beiden Flächen ausgebildet.
Die Hilfselektrode 38 ist nicht unbedingt eine Bandelektrode mit vorbestimmter Breite und kann nur an einer Position gebildet werden, die dem Ausschnitt 39b entspricht.
Gemäss der Ausführung wird eine PZT-Keramik mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × 20 µm als Keramikschichten 31 und 32 verwendet und ein Polyamidoimidharz mit einer Dicke von 5 bis 10 µm wird als Harzschicht 39 verwendet.
Die Membran 30 wird in dem Gehäuse 10 untergebracht und an den Halteteilen 10g des Gehäuses 10 mit vier elastischen Haltematerialien 13 befestigt. Die elastischen Haltematerialien 13 werden in seitlich langen elliptischen Formen zwischen der Hauptflächenelektrode 33, die durch den Ausschnitt 39a frei liegt, und der Innenverbindung 11a der Klemme 11 und zwischen der Hilfselektrode 38, die durch den Ausschnitt 39b frei liegt, welcher dem Ausschnitt 39a diagonal gegenüberliegt, und der Innenverbindung 12a der Klemme 12 aufgebracht. An zwei verbleibenden Positionen werden die elastischen Haltematerialien 13 ebenso in seitlich langen elliptischen Formen aufgebracht. Dann werden die elastischen Haltematerialien 13 erhitzt und gehärtet.
Ferner kann als Verfahren zum Befestigen der Membran 30 nach Unterbringen der Membran 30 in dem Gehäuse 10 das elastische Haltematerial 13 durch eine Dosiervorrichtung, etc. aufgebracht werden; alternativ kann die Membran 30 in dem Gehäuse 10 in einem Zustand untergebracht werden, in dem die Membran 30 bereits vorab mit den elastischen Haltematerialien 13 beschichtet ist.
Nach dem Härten der elastischen Haltematerialien 13 werden die leitenden Klebstoffe 14 in elliptischen Formen auf den in elliptischen Formen aufgebrachten elastischen Haltematerialien 13 aufgebracht, so dass sie sich mit den elastischen Haltematerialien 13 überschneiden, so dass die Hauptflächenelektrode 33 und die Innenverbindung 11a der Klemme 11 miteinander verbunden sind und die Hilfselektrode 38 und die Innenverbindung 12a der Klemme 12 ebenfalls miteinander verbunden sind. D. h. die leitenden Klebstoffe 14 werden darauf durch Abweichen von den kürzesten Strecken, die zwischen der Membran 30 und den Innenverbindungen 11a und 12a verbinden, aufgebracht. Nach dem Aufbringen des leitenden Klebstoffs 14 wird er erhitzt und gehärtet.
Nach dem Aufbringen und Härten der leitenden Klebstoffe 14 wird der elastische Dichtstoff 15 auf einen Freiraum zwischen der Membran 30 und dem Innenumfang des Gehäuses 10 aufgebracht, um den Freiraum abzudichten. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie in Fig. 9 gezeigt, der elastische Dichtstoff 15 durch die in den Seitenwänden 10c und 10e ausgebildeten Nuten 10h aufgenommen, so dass der elastische Dichtstoff 15 nicht nach unten hin zu der unteren Wand 10a fließen kann. Daher werden die Membran 30 und das Gehäuse 10 fest miteinander abgedichtet.
In dem ausführungsgemäßen elektroakustischen Wandler kann die Membran 30 durch Anlegen einer vorbestimmten Wechselspannung zwischen den Klemmen 11 und 12 querschwingen. Die piezoelektrische Keramikschicht, die in der gleichen Richtung wie ein elektrisches Feld polarisiert ist, schrumpft in einer planaren Richtung, während die piezoelektrische Keramikschicht, die in der entgegengesetzten Richtung zu einem elektrischen Feld polarisiert ist, sich in der planaren Richtung ausdehnt, so dass sie die gesamte Struktur in der Dickenrichtung biegt.
Ausführungsgemäß kann, da die Membran 30 einen aufgetragenen Keramikaufbau ohne Metallplatte aufweist und zwei hintereinander in Dickenrichtung angeordnete Schwingungsbereiche in entgegengesetzte Richtungen schwingen, eine größere Verschiebung, d. h. ein größerer Schalldruck verglichen mit einer unimorphen Membran erhalten werden.
Nach der zweiten Ausführung werden die Halteteile in den zwei Seiten des Gehäuses entlang der gesamten Länge ausgebildet; alternativ können als das in Fig. 12 gezeigte Gehäuse 10 die Halteteile 101 an den Ecken ausgebildet werden. In diesem Fall werden die vier Ecken der Membran 30 an den Halteteilen 101 mit den elastischen Haltematerialien 13 befestigt. Durch solches Halten der Membran 30 nur an den Ecken kann die Resonanzfrequenz verringert werden, so dass der Schalldruck in einem Bereich niedriger Frequenz erhöht werden kann.
Ferner werden in Fig. 6 und 12 die Stufen 10f mit geringen Breiten und die in den Seitenwänden 10c und 10e ausgebildeten Nute 10h (siehe Fig. 9) bei den Zeichnungen weggelassen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt und kann innerhalb der Wesensart und des Schutzumfangs der Erfindung abgewandelt werden.
Zum Beispiel wird die Membran 30 durch Auftragen von zwei piezoelektrischen Keramikschichten gefertigt; alternativ kann sie durch Auftragen von drei oder mehr piezoelektrischen Keramikschichten hergestellt werden.
Die Membrane 1 und 30 können eine beliebige quadratische oder rechteckige Form aufweisen.
Nach der ersten Ausführung wird die unimorphe Membran, bei welcher die piezoelektrische Platte an einer Oberfläche der Metallplatte angeklebt wird, beispielhaft dargestellt; es kann jedoch eine bimorphe Membran verwendet werden, bei welcher die piezoelektrische Platte an beiden Oberflächen der Metallplatte verklebt wird.
Nach den Ausführungen wird der Halteteil des Gehäuses an einer Position ausgebildet, die um eine Stufe unter den Innenverbindungen der Endelektroden liegt, so dass die von dem Halteteil des Gehäuses gehaltene Membran und die Innenverbindungen in etwa die gleiche Höhe haben; alternativ können der Halteteil des Gehäuses und die Innenverbindungen gleich hoch sein, um die Membran daran zu befestigen.
Die Endelektrode gemäss der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die mit Einlegeteil- Spritzguss gefertigte Klemme wie in den Ausführungen beschränkt; sie kann eine Dünnschicht- oder Dickschichtelektrode sein, die sich beispielsweise von der oberen Fläche des Halteteils des Gehäuses hin zu der Außenseite erstreckt.
Nach den Ausführungen wird als erster Klebstoff (elastisches Haltematerial) ein Material verwendet, das schwieriger zu verteilen ist als der zweite Klebstoff; es kann aber auch das gleiche Material verwendet werden.
Die Auftragspositionen der ersten Klebstoffe sind nicht auf die Umgebungen der vier Ecken der Membran beschränkt, an welche die Klebstoffe teils aufgebracht werden, und die Klebstoffe können kontinuierlich auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Membran entlang der gesamten Länge aufgebracht werden.
Die Auftragspositionen der leitenden Klebstoffe sind nicht auf zwei einander diagonal gegenüberliegende Ecken der Membran beschränkt, und die leitenden Klebstoffe können an jeder Position aufgebracht werden, solange dies zum Verlängern der Elektrode der Membran nach außen dient.
Das erfindungsgemäße Gehäuse ist nicht wie in den Ausführungen auf ein Gehäuse mit konkavem Schnitt und mit der an der oberen Fläche derselben anzubringenden Verschlussplatte beschränkt.

Claims

1. Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, welcher umfasst:
eine quadratische piezoelektrische Membran mit Elektroden, die in Plattendickenrichtung durch Anlegen eines wechselnden Signals zwischen den Elektroden querschwingt;
ein rechteckiges Isoliergehäuse mit einem in den Seitenwänden des Gehäuses angeordneten Halteteil zum Halten der piezoelektrischen Membran;
Endelektroden mit Innenverbindungen, die in der Nähe des Halteteils frei liegen, und mit Außenverbindungen, die an der Außenfläche des Gehäuses frei liegen und mit den Innenverbindungen elektrisch verbunden sind;
einen ersten Klebstoff, der auf die kürzeste, die piezoelektrische Membran mit den Innenverbindungen verbindenden Strecke aufgebracht ist, wobei sich die kürzeste Strecke zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen befindet, um die piezoelektrische Membran an dem Gehäuse zu befestigen;
einen leitenden Klebstoff zum elektrischen Verbinden der Elektroden der piezoelektrischen Membran mit den Innenverbindungen der Endelektroden, wobei der leitende Klebstoff zwischen den Elektroden der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen mittels der oberen Fläche des ersten Klebstoffs durch Abweichen von der kürzesten Strecke, welche die piezoelektrische Membran und die Innenverbindungen verbindet, aufgebracht wird; und
einen zweiten Klebstoff zum Abdichten eines Freiraums zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und dem Innenumfang des Gehäuses,
dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Klebstoffe nach dem Härten einen Youngschen Modul aufweisen, der kleiner als der des leitenden Klebstoffs ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Viskosität des ersten Klebstoffs vor dem Härten höher als die des zweiten Klebstoffs ist, so dass ein Verteilen schwierig ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Klebstoff zum Teil auf die Umgebungen der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht wird.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Klebstoff auf die Umgebungen von mindestens zwei der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht wird.

5. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers, welches folgende Schritte umfasst:
Erzeugen einer quadratischen piezoelektrischen Membran, welche durch Anlegen eines wechselnden Signals zwischen den Elektroden in Plattendickenrichtung querschwingt;
Erzeugen eines rechteckigen Isoliergehäuses mit einem in den Seitenwänden des Gehäuses angeordneten Halteteil zum Halten der piezoelektrischen Membran und Endelektroden mit Innenverbindungen, die in der Nähe des Halteteils frei liegen, und mit Außenverbindungen, die außerhalb des Gehäuses frei liegen und mit den Innenverbindungen elektrisch verbinden;
Aufbringen eines ersten Klebstoffs auf eine kürzeste Strecke, welche die piezoelektrische Membran mit den Innenverbindungen verbindet, wobei sich die kürzeste Strecke zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen befindet, um die piezoelektrische Membran an dem Gehäuse durch Härten des ersten Klebstoffs zu befestigen;
Aufbringen eines leitenden Klebstoffs zwischen den Elektroden der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen mittels der oberen Fläche des ersten Klebstoffs durch Abweichen von der kürzesten Strecke, welche zwischen der piezoelektrischen Membran und den Innenverbindungen verbindet, um die Elektroden der piezoelektrischen Membran mit den Innenverbindungen der Endelektroden durch Härten des leitenden Klebstoffs elektrisch zu verbinden; und
Aufbringen eines zweiten Klebstoffs auf einen Freiraum zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und dem Innenumfang des Gehäuses, um zwischen beiden Umfängen durch Härten des zweiten Klebstoffs abzudichten,
dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Klebstoffe nach dem Härten einen Youngschen Modul aufweisen, der kleiner als der des leitenden Klebstoffs ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Viskosität des ersten Klebstoffs vor dem Härten höher als die des zweiten Klebstoffs ist, so dass ein Verteilen schwierig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Klebstoff zum Teil auf die Umgebungen der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Klebstoff auf die Umgebungen von mindestens zwei der vier Ecken der piezoelektrischen Membran aufgebracht wird.